Любовь, боль, радость, страх, желание: весь спектр эмоций заключен в выражении лица. Мы понимаем это почти интуитивно. Однако нам до сих пор не хватает количественного понимания тонких взаимосвязей между лицом и мозгом. Мы еще не нашли способа точно измерить и надежно интерпретировать всю сложность мимики у мышей, не говоря уже о людях. Или все-таки нашли? Доцент лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) Хелен Хоу и ее команда разработали новый инструмент, который должен помочь науке и медицине продвинуться в этом направлении.
Новый способ чтения лиц
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience , лаборатория Хоу представляет платформу для научных исследований под названием Cheese3D . Эта инновационная система, использующая камеру и компьютерное зрение, отслеживает даже самые незначительные изменения в выражении лица мышей. Затем, используя искусственный интеллект, она количественно оценивает эти изменения, чтобы ученые могли методично изучать и интерпретировать их.
Откуда взялась эта идея? По словам Хоу, она родилась из необходимости. «Когда я основала свою лабораторию, мы были очень рады возможности запечатлеть богатый репертуар мимического поведения», — говорит она. Опытные ветеринары часто могут «читать» самочувствие животного по его лицу. Однако до сих пор не существовало надежного автоматизированного способа измерения мимики с такой степенью детализации, которая могла бы дать представление о работе мозга.
Создание системы 3D-моделирования лица мыши
За последние три десятилетия CSHL помогла утвердить мышей в качестве важных моделей для изучения мозга и того, как он контролирует поведение. Но, как всем известно, между лицами человека и мыши существуют явные различия. Например, их лица имеют конусообразную форму.
Для решения этой задачи лаборатория Хоу сотрудничала с центрами коллективного пользования CSHL. Вместе они создали высокотехнологичную систему из шести крошечных камер, которые одновременно снимают движения мимики мыши с разных ракурсов. Модели машинного обучения монтируют эти видеозаписи, подобно профессиональному видеомонтажёру. При этом система также отслеживает электрическую активность в мозге мыши.
Измерение уровня возбуждения, сна и анестезии
Конечно, дело было не просто в том, чтобы заставить мышей «сказать сыр». Чтобы продемонстрировать точность системы, лаборатория Хоу использовала Cheese3D для мониторинга нескольких важных поведенческих реакций, включая прием пищи. Возможно, наиболее важным было то, что они протестировали систему на мышах, которым была проведена анестезия. Впечатляюще, они смогли с помощью Cheese3D измерить, насколько глубоко «бодрствовали» или «спали» мыши в данный момент. В сотрудничестве с лабораторией Борнигера CSHL они достигли точности, сравнимой с эталонными методами ЭЭГ. Более того, они сделали это, не беспокоя животное.
«Даже самые незначительные изменения тонуса лицевых мышц многое нам рассказывают», — объясняет Хоу. «Таким образом, мы можем неинвазивным способом предсказать глубину анестезии, используя особенности лица».
Последствия для заболеваний и развития
Учитывая потенциальные клинические последствия, Хоу также начинает изучать мимику при определенных заболеваниях. Кроме того, она отмечает: «Движения лица — один из первых этапов развития. Мы можем улыбаться задолго до того, как научимся ползать или ходить. Так как же мы учимся двигать лицом в социальном контексте?»
Любой новый ответ имел бы серьезные последствия для аутизма и поведенческой терапии. С помощью Cheese3D Хоу и его коллеги Кайл Дарувалла и Ирен Нозал Мартин разработали новый способ задать этот вопрос.
